DE3036842A1

DE3036842A1 - Verfahren zum bodengefrieren

Info

Publication number: DE3036842A1
Application number: DE19803036842
Authority: DE
Inventors: Dieter Ing.(grad.) 8192 Gelting Rebhan; Michael Dipl.-Ing. 8000 München Wübbens
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1980-09-30
Filing date: 1980-09-30
Publication date: 1982-05-19
Also published as: ATA83881A; IT1138626B; AT369861B; FR2491106A1; IT8124146A0; FR2491106B3

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

(G 116) G 80/67

Hm/f ζ
29.09.1980

Verfahren zum Bodengefrieren

Die Erfindung betrifft, ein Verfahren zum Bodengefrieren mit einem in ein Bohrloch eingebrachten Gefrierrohr, in das ein gekühltes Fluid eingeleitet und nach indirektem Wärmetausch mit dem das Gefrierrohr umgebenden Boden abgezogen wird.

Bei Verfahren dieser Art werden entlang des zu frierenden
Bereiches Löcher gebohrt und in die Löcher jeweils ein entsprechend langes Gefrierrohr eingebracht. Die üblicherweise am Boden geschlossenen Gefrierrohr werden über den Gefrierrohrkopf mit einem Kühlmittel, beispielsweise mit Sole oder mit einem verflüssigten Gas, versorgt, über die in Wärmekontakt mit dem umgebenden Erdreich stehenden' Gefrierrohr wird dem Erdreich Wärme entzogen. Nach ausreichender Kühlzeit
bilden sich um die Gefrierrohre gefrorene Bereiche zylindrischer Form, die sich im weiteren Verlauf überlappen und einen von der Anordnung der Gefrierrohre bestimmten Frostkörper
bilden. Ist ein Frostkörper entlang einer großen Strecke herzustellen und bzw. oder ist ein großer Frostkörper längere
Zeit aufrechtzuerhalten, so führt dies wegen des großen
Energiebedarfs zu hohen Kosten. Zur Reduzierung der Energiekosten ist es bereits bekannt, eine im Vergleich zur bohr-

Form. 5729 7.7β

3036942

technisch möglichen Strecke kürzere Bohrung vorzutreiben und entsprechend kurze Gefrierrohre zu setzen. Hierbei bildet sich ein kurzer Frostkörper, der zu einer Verringerung des Energieverbrauchs führt, da nur ein für den Fortschritt nachfolgender Arbeiten angepaßter Frostkörper zu unterhalten ist. Dieses Verfahren besitzt jedoch den Nachteil, daß der für einen abschnittsweisen Vortrieb erforderliche bohrtechnische Aufwand erheblich größer ist als bei einem Verfahren, bei dem ein Bohrloch mit der bohrtechnisch möglichen Länge hergestellt wird. Außerdem gibt es technische Probleme, z.B. bei der Schaffung von Kopfkavernen zum Zweck des Bohransatzes für den nachfolgenden Abschnitt. Bei der Erstellung eines Frostkörpers für einen Tunnelaushub z.B. ist es möglich, bei der Herstellung dieser Bohransätze auf wasserführende Schichten zu stoßen. Wasserzufluß kann aber zu Setzungsschäden führen und muß daher mit Aufwand gestoppt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bodengefrieren anzugeben, bei dem ein Frostkörper ausreichender Größe mit geringem Verbrauch an Kühlmittel und daher mit geringem Energiebedarf gebildet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in das Bohrloch ein an der Bohrlochwand anliegendes, geschlossenes Hüllrohr und in dieses ein geschlossenes Gefrierrohr eingeführt wird, wobei mit Hilfe von elastisch verformbaren Dichtungen im Bereich des zu vereisenden Bodens ein flüssigkeitsdichter Raum zwischen Hüll- und Gefrierrohr gebildet, in diesen Raum eine im Wärmetausch mit dem gekühlten Fluid gefrierende Flüssigkeit eingeleitet und nachfolgend ein gekühltes Fluid in das Gefrierrohr eingeführt wird.

Erfindungsgemäß wird ein Bohrloch soweit wie bohrtechnisch

Form. 5729 7.78

möglich vorgetrieben, so daß der bohrtechnische Aufwand klein bleibt. In das Bohrloch wird ein Hüllrohr eingeleitet, das an dem in das Bohrloch eingeleiteten Ende geschlossen ist und an der Bohrlochwand anliegt, so daß ein guter Wärmekontakt zwisehen dem Hüllrohr und dem umgebenden Erdreich besteht. Anschließend wird in das Hüllrohr ein Gefrierrohr eingeführt. Das Gefrierrohr besitzt wenigstens zwei elastisch verformbare Dichtungen, deren Form von außerhalb des Gefrier- bzw. Hüllrohres SO verändert werden kann, daß die Dichtungen am Hüllrohr flüssigkeitsdicht anliegen und zusammen mit dem Hüllrohr • und Gefrierrohr einen geschlossenen Raum bilden. Dieser Abschnitt des Gefrierrohres wird innerhalb des Hüllrohres bis zu der Stelle vorgeschoben, an der ein Frostkörper gebildet werden soll. Anschließend wird der beschriebene flüssigkeitsdichte Raum zwischen Hüll- und Gefrierrohr mittels der elastisch verformbaren Dichtungen gebildet und in diesen Raum eine Flüssigkeit eingeleitet. Es wird eine Flüssigkeit verwendet, die im indirekten Wärmekontakt mit dem gekühlten Fluid, das nachfolgend in das geschlossene Gefrierrohr eingespeist wird, gefriert. Die gefrorene Flüssigkeit bildet eine gute Wärmebrücke zwischen dem Hüll- und Gefrierrohr, so daß dem Boden im Bereich der Wärmebrücke erhebliche Wärmemengen entzogen und ein Frostkörper gebildet wird. Im resten . liehen Bereich des Hüllrohres ist zwischen diesem und dem Gefrierrohr ein luftgefüllter Zwischenraum, über den dem Erdreich nur unbedeutende Wärmemengen entzogen werden. Somit erwärmt sich das gekühlte Fluid, nach dem es in das Gefrierrohr eingespeist worden ist auf dem Weg bis zur Wärmebrücke

nur unwesentlich.
30

Die Länge der Wärmebrücke ist bestimmt durch den Abstand der Dichtungen. Erfindungsgemäß kann dieser Abstand leicht verändert und daher an eine gewünschte Länge des zu erstellenden Frostkörpers angepaßt werden. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß das GeForm. 572S 7.78

frierrohr an jede beliebige Stelle im Hüllrohr geschoben werden kann und somit ein Frostkörper nur in den Bereichen zu erstellen, bzw. aufrecht zu erhalten ist, in denen der Frostkörper benötigt wird. Der Bedarf an Kühlmitteln kann daher auf ein Minimum, d.h. auf die unbedingt erforderliche Menge gesenkt werden.

Darüber hinaus ist das Gefrierrohr rasch innerhalb des Hüllrohres an eine andere Stelle zu bewegen. Hierzu braucht Iediglich die Zufuhr des gekühlten Fluids unterbrochen, die f gefrorene Flüssigkeit im Wärmekontakt mit einem Wärmeträger (z.B. Dampf oder Wasser) gebracht und das Volumen der Dichtungen verringert werden, so daß diese nicht mehr am Hüllrohr anliegen. Nun kann das Gefrierrohr an eine andere Stelle im Hüllrohr geschoben werden. Einerseits ist es auf diese Weise möglich, die Bohrung für das Bohrloch in einem Bohrvorgang zu tätigen, andererseits kann der Frostkörper segmentweise, z.B. dem Vortrieb beim Aushub angepaßt, erstellt werden.

20

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird als gekühltes Fluid ein verflüssigtes Gas verwendet. Eine geeignete Flüssigkeit, die im Wärmetausch sowohl mit einem verflüssigten \ Gas als auch mit einer gekühlten Sole gefriert, ist Wasser. 25

Mit Vorteil werden beim erfindungsgemäßen Verfahren Dichtungen eingesetzt, die zusammen mit dem Gefrierrohr einen entlang des Gefrierrohrumfanges verlaufenden Hohlraum bilden, in den zur Verformung der Dichtungen ein Gas, insbesondere Luft, eingeleitet wird. Durch Einleiten bzw. Ablassen von Luft kann die Form der Dichtungen rasch verändert und eine sichere flüssigkeitsdichte Abdichtung erzielt werden. Hierbei müssen die Dichtungen aus einem Material gefertigt sein, das bei den niedrigen Temperaturen des gekühlten Fluids nicht brüchig wird. Wird beispielsweise verflüssigter Stickstoff

Form. 5729 7.78

-•-8 -

als Kühlmittel eingesetzt, so eignet sich Silikon-Kautschuk als Dichtungsmaterial. Gegebenenfalls können die Dichtungen zusätzlich von einer Isolierschicht umgeben werden.

In einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung verläuft in einem Bohrloch ein Hüllrohr, innerhalb dessen ein Gefrierrohr angeordnet ist, das aus einem Fallrohr und einem konzentrisch dazu innerhalb desselben angeordneten Steigrohr mit geringerem Durchmesser als

"Ό das Fallrohr besteht, wobei auf der Außenseite des Fallrohres in der Nähe des Fallrohrbodens wenigstens zwei im wesentlichen senkrecht zur Fallrohrachse elastisch verformbare Dichtungen mit Abstand zueinander und entlang des gesamten Fallrohmmfanges angeordnet sind und in den Bereich zwischen den beiden Dichtungen eine innerhalb des Fallrohres verlaufende Leitung zur Einleitung einer im Wärmetausch mit dem gekühlten Fluid gefrierenden Flüssigkeit mündet.

Mit Vorteil besitzt das Fallrohr im Bereich zwischen den beiden Dichtungen einen größeren Durchmesser als im übrigen Bereich. Das Volumen des Ringraumes zwischen Fallrohr und Hüllrohr ist daher klein, so daß die Flüssigkeit im Wärmekontakt mit dem gekühlten Fluid rasch gefriert und eine gute Wärmebrücke gebildet wird. Dabei ist darauf zu achten, daß das Gefrierrohr leicht innerhalb des Hüllrohres bewegt werden kann. Der Abstand zwischen Hüllrohr und Fallrohr ist somit unter anderem abhängig von Unebenheiten des Gefrier- oder Hüllrohres sowie von der Länge des Fallrohrbereiches mit größerem Durchmesser und einer eventuellen Krümmung des Hüllrohres aufgrund einer nicht gerade verlaufenden Bohrung.

In einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens mündet in den gasdichten Raum, der durch jeweils eine Gummidichtung zusammen mit dem Fallrohr gebildet wird, eine Leitung, die innerhalb des Fallrohres zur Versorgung des Raumes mit

Form. S72S 7.78

einem Gas verläuft. Diese Leitung kann ebenso wie die in den Bereich zwischen den beiden Dichtungen mündende Leitung starr oder beweglich sein und kann beliebig verlängert werden.

Neben Dichtungen, deren Volumen durch Gasdruck verändert werden kann, eignen sich auch Packer zum Abdichten eines Raumes zwischen Hüll- und Fallrohr.

Im folgenden soll anhand einer schematischen Skizze ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben und das Verfahren erläutert werden:

In einem Bohrloch liegt ein Hüllrohr 1 eng an der Bohrlochwand an. Innerhalb des Hüllrohres 1 und konzentrisch dazu befindet sich ein Fallrohr 2. Dieses Rohr besitzt in der Nähe seines Bodens einen Durchmesser, der größer ist als in seinem übrigen Bereich, der aber kleiner als der Hüllrohr-Innendurchmesser ist. Beidseits des Fallrohr-Bereiches mit großem Durchmesser sind zwei Gummidichtungen 3, 4 entlang des gesamten Umfanges des Fallrohres 2 angeordnet. Diese Dichtungen sind gasdicht am Fallrohr im Bereich des geringeren Durchmessers befestigt und bilden jeweils zusammen mit dem Fallrohr einen ringförmigen Raum 5, 6. Eine Rohrleitung 7 mündet sowohl in den Raum 5 als auch in den Raum 6. Eine weitere Leitung 8 mündet - gegebenenfalls über zwei oder mehrere Zweigleitungen - in den Raum zwischen Hüllrohr 1 und dem Fallrohr 2 im Bereich zwischen den beiden Dichtungen 3, 4. Leitung 8 verläuft innerhalb des Fallrohres 2. Ebenso innerhalb des Fallrohres verläuft ein Innenrohr 10 konzentrisch und mit Abstand zum Fallrohr 2. Die beiden Leitungen 7 und 8 sind zwischen Innenrohr 10 und Fallrohr 2 angeordnet und können starr oder beweglich sein.

Im Ausführungsbeispiel soll eine Tunnel-Firstvereisung beschrieben werden. Erfindungsgemäß werden mehrere Bohrlöcher

Form. 5729 7.78

für die Aufnahme von Gefrierrohren entlang der gesamten Tunnelstrecke gebohrt. Hierbei kann entweder, verrohrt gebohrt werden oder jede Bohrung nachträglich mit einem Hüllrohr 1 verrohrt werden. Anschließend wird das Gefrierrohr, das aus Fallrohr 2 und Innenrohr 10 besteht, in das Hüllrohr 1 so weit eingeführt, daß der Bereich des Fallrohres 2 mit großem Außendurchmesser an der Stelle des zu bildenden Frostkörpers liegt. Nun wird durch Leitung 7 komprimierte Luft in die Räume 5 und 6 der Dichtungen 3 und 4 eingeleitet. Die Dichtungen verformen sich hierdurch solange, bis sie an der Innenwand des Hüllrohres 1 anliegen und einen wasserdichten Kontakt herstellen. Solange das Gefrierrohr in das Hüllrohr 1 eingeschoben wird, liegen diese Dichtungen am Fallrohr 2 an. Sobald der wasserdichte Kontakt hergestellt ist, kann in den Ringruam 9 zwischen Fallrohr und Hüllrohr Wasser eingeleitet werden. Dazu dient Leitung 8, über die Ringraum 9 außerdem auch entlüftet wird. Ist der Ringraum 9 mit Wasser gefüllt, wird über den Raum zwischen Fallrohr 2 und Innenrohr 10 ein gekühltes Fluid - im Ausführungsbeispiel flüssiger Stickstoff - eingeleitet. Im indirekten Wärmetausch gefriert das durch die Gummidichtungen eingeschlossene Wasser im Ringraum 9 und stellt dadurch eine gute Wärmebrücke zwischen dem Hüllrohr 1 und dem Erdreich und dem Fallrohr her. Beim Wärmetausch mit dem Wasser im Raum 9 bzw. mit dem Erdreich verdampft der flüssige Stickstoff. Dieser gasförmige Stickstoff wird über Innenrohr 10 abgeleitet.

Sobald im Erdreich ein Frostkörper ausreichender Größe gebildet worden ist, kann das Gefrierrohr an eine andere Stel-Ie des Bohrloches verschoben werden. Zu diesem Zweck wird kaltes oder warmes Wasser oder Dampf durch das Fallrohr 2 und das Innenrohr 10 (oder umgekehrt) geleitet und der Ringraum 9 aufgetaut. Anschließend wird die Luft in den Räumen 5, 6 der Dichtungen 3, 4 abgezogen und das mobile Gefrierrohr z.B. mit Hilfe des Innenrohres 10, das starr mit dem

Form. 5729 7.78

Fallrohr verbunden ist, verschoben. Die Auftauzeit beträgt ca. 10 Minuten, während die Einfrierzeit ca. 20 Min. in Anspruch nimmt.

Das Fallrohr kann sowohl im Bereich des großen Durchmessers (z.B. 54 χ 2mm) als auch des geringeren Durchmessers (z.B. 35 χ 1,5mm) aus Kupfer bestehen. In einem Ausführungsbeispiel hatte das Fallrohr im Bereich zwischen den Dichtungen eine Länge von ca. 2 m. Die Dichtungen selbst waren mit Schlauchbinden abgedichtete Gummitüllen mit einer Länge von jeweils ca. 15 cm und bestanden aus Silikon-Kautschuk. Der Abstand zwischen Fallrohr und Hüllrohr betrug ca. 5 mm.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren - insbesondere bei der Kühlung mit flüssigem Stickstoff - zu einer optimalen Zeit- und Energieausnutzung führt.

Form. 5729 7.78

Leerseite

Claims

(G 116) G 80/67

Hm/£ ζ 29.09.1980

Patentansprüche

1· Verfahren zum Bodengefrieren mit einem in ein Bohrloch eingebrachten Gefrierrohr, in das ein gekühltes Fluid eingeleitet und nach indirektem Wärmetausch mit dem das Gefrierrohr umgebenden Boden abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in das Bohrloch ein an der Bohrlochwand anliegendes, geschlossenes Hüllrohr und in dieses ein geschlossenes Gefrierrohr eingefüllt wird, wobei mit Hilfe von elastisch verformbaren Dichtungen im Bereich des zu vereisenden Bodens ein flüssigkeitsdichter Raum zwischen Hüll- und Gefrierrohr gebildet, in diesen Raum eine im Wärmetausch mit dem gekühlten Fluid gefrierende Flüssigkeit eingeleitet und nachfolgend ein gekühltes Fluid, in das Gefrierrohr eingeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gekühlte Fluid ein verflüssigtes Gas, insbesondere Stickstoff ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser ist.

Form. 5729 7.78

--ar -
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen zusammen mit dem Gefrierrohr einen entlang des Gefrierrohrumfanges verlaufenden Hohlraum bilden, in den zur Verformung der Dichtungen ein Gas, insbesondere Luft, eingeleitet wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein in einem Bohrloch verlaufendes Hüllrohr (1), innerhalb dessen ein Gefrierrohr angeordnet ist, das aus einem Fallrohr (2) , und einem konzentrisch dazu innerhalb desselben angeordneten Steigrohr (10) mit geringerem Durchmesser als das Fallrohr besteht, wobei auf der Außenseite des Fallrohres in der Nähe des Fallrohrbodens wenigstens zwei im wesentlichen senkrecht zur Fallrohrachse elastisch verformbare Dichtungen (3, 4) mit Abstand zueinander und entlang des gesamten Fallrohrumfanges angeordnet sind und in den Bereich'zwischen den beiden Dichtungen eine innerhalb des Fallrohres verlaufende Leitung (8) zur Einleitung einer im Wärmetausch mit dem gekühlten Fluid gefrierenden Flüssigkeit mündet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ( das Fallrohr (2) im Bereich zwischen den beiden Dichtun-

gen (3, 4) einen größeren Durchmesser besitzt als im übrigen Bereich.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet, durch Gummidichtungen (3, 4) die jeweils zusammen mit dem Fallrohr (2) einen gasdichten Raum (5, 6) bilden, in den eine weitere, innerhalb des Fallrohres verlaufende Leitung (7) zur Versorgung des Raumes mit einem Gas mündet.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekenn-

Form. 6729 7.78

1 zeichnet durch Packer als Dichtungen,

Form. 5729 7.78